اثرات و عوامل هوازا بر سیستم آب به سیمان در بتن

مطالعات بر روی اثر افزوده شدن عوامل هوازا بر خمیرهای سیمان صورت پذیرفته که ما را قادر می کند تا دیدگاهی نسبت به مکانیسمی که طی آن این مواد ایجاد سیستم هوای منفذی بسیار ریز پایدار می کنند را به دست بیاوریم و تا حدی اثر آنها بر خصوصیات بتن را دریابیم. با این وجود، برخلاف عوامل کاهنده آب، مقایسه رفتار میان خمیرهای سیمانی و سیستم های بتنی کلی، به علت تاثیر مولفه سنگدانه در تعیین هوای موجود و خصوصیات تغییر شکلی برآیند چندان سودمند نیست.

این داده ها را می توان به راحتی تحت عناوین زیر توصیف نمود:

1. تغییر شکل
2. هوای موجود و خصوصیات
3. توزیع میان فاز آبی و فاز جامد
4. اثر روی واکنش های هیدراتاسیون سیمان
5. تفسیری به عنوان یک مکانیسم کار

شکل 3-4 نانیل فنول اتوکسیلات

تغییر شکل

تاثیری که عوامل هوازا بر تغییر شکل خمیرهای سیمانی تازه دارد را می توان از نقطه نظر تغییرات، به دلیل خود افزودنی در نظر گرفته شود و این تغییرات به دلیل حضور هوای محبوس است. یک برنامه برای جداسازی اثرات بطور جداگانه بافراهم آوردن مخلوط های افزودنی یا خمیر سیمان به دو شیوه انجام گرفت (همان طور که در قسمت زیر توضیح داده شده است).

سیمان هوازا

بدون هوای محبوس

دستگاه نشان داده شده در شکل 3-5 استفاده شده و کاملا با خمیر سیمان پر گردید. اضافات مواد افزودنی با تزریق به همراه یک سوزن زیر پوستی از طریق کلاهک لاستیکی صورت گرفت. خمیرهای فراهم شده به این طریق هوای موجود کمتر از %6/0 حجم داشتند (که از هرگونه تمایل سخت شدگی زودرس آزاد بوده) و همگن بودند.

با تغییر دادن درجات هوای محبوس در بتن

دستگاه یکسانی استفاده شد، اما مقادیری از سیمان برا یدادن فضای هوا به دالان برطرف شد. در بر هم زدن سریع حجم فزآینده، وابسته به هوای موجود مورد نیاز است. ویسکوزیته های خمیر اندازه گیری شد، با استفاده از یک ویسکوزیته سنج استورمر، که نوعی ویسکوزیته سنج استوانه ای هم محور است. اگر چه ممکن است که نتایج را در قالب عبارات مطلق به دست بیاوریم، برای اهداف مقایسه ای، زمان ها را برای گرداننده ای که تحت یک گشتاور اعمال شده ثابت 100 بودند، ثبت کردیم.
در عدم حضور هوای محبوس، نتایج نشان داده شده در شکل 3-6 به دست آمد، در جایی که شباهت رفتار سه ماده آنیونی، سدیم دو دسیل سولفات، سدیم رزینات و یک سولفونات نفت، در افزایش ویسکوزیته خمیر دیده می شود. ماده غیریونی فنول اتوکسیلات، وقتی هیچ هوایی وارد نشود، تقریبا هیچ اثری بر ویسکوزیته خمیر ندارد.

شکل 3-5 دستگاه مخلوط کن برای آزمایش ها روی خمیرهای هوازا و غیر هوازا

وقتی سدیم رزینات در خمیرهای ساخته شده از دو سیمان دارای مساحت های سطح متفاوت محسوس ترکیب شد، نتایج داده شده در جدول 3-3 حاصل شد که حاکی از آن است که سدیم رزینات ایجاد افزایش خیلی بیشتری در ویسکوزیته د رخمیر ساخته شده از سیمان نرم نسبت به خمیرهای ساخته شده از سیمان زبر می کند. وقتی ویسکوزیته های خمیرهای هوازا با همین ابزار اندازه گیری شد، نتایج نشان داده شده شکل 3-7 برای سدیم آبیتات در %06/0 وزن سیمان به دست آمد. دیده می شود که میزان تاثیر به علت حضور خود ماده افزودنی در رابطه با اثر هوایی که موجب محبوس شدن می شود، کوچک است.

پربازدیدترین مطالب کلینیک بتن ایران
سیمان چیست
تعیین حداکثر فاصله بین دو ستون بتنی
انواع ملات های ساختمانی

هوای موجود و خصوصیات

(a) پیمانه مصرفی و نوع ماده افزودنی

اثر تغییر دادن مقدار چندین عامل هوازا در شکل 3-8 نشان داده شده است. شباهت رفتار سدیم دو دسیل سولفات و سدیم رزینات مجددا به تصویر کشیده شده است.

شکل 3-6 ویسکوزیته های خمیرهای سیمان حاوی غلظت های متغیر عوامل فعال سطح در عدم حضور هوای محبوس (بروره). 1= سدیم دو دسیل سولفات؛ 2= سدیم آبیتات؛ 3= سولفونات نفت؛ 4= فنول اتوکسیلات

جدول 3-3 اثر هوای محبوس بر ویسکوزیته خمیر برای دو سیمان متفاوت

مساحت سطح مخصوص حباب های محبوس توسط هر عامل هوازا تا اندازه زیادی مستقل از غلظت آن است و نشان هایی وجود دارد که سدیم دو دسیل سولفات، جدا از اینکه به عنوان یک عامل هوازا نسبت به سدیم دودسیل سولفونات بنزن و رزین های چوب خنثی شده موثرتر است، همچنین منجر به مساحت سطح مخصوص بالاتری در حباب ها در ناحیه نزدیک تر می شود. جدول 3-4 اثر عوامل هوزا مختلف در غلظت های گوناگون بر مساحت سطح مخصوص و فاکتور فاصله گذاری محاسبه دشه حباب های هوا در خمیر سیمان

جدول 3-4 داده های مشابهی را به طور خلاصه می آورد، همچنین شامل نوع سدیم دو دسیل بنزن سولفونات و اثر برآیند روی مساحت سطح مخصوص و فاکتور فاصله محابه شده حباب هاست.

تاثیر تغییر دادن طول زنجیره اسید چرب نمک های سدیم از اسیدهای چرب خطی روی هوای محبوس در ملات ها در شکل 3-9 تصویر شده است. برتری طول زنجیره کربن 9-11 اسیدهای چرب به روشنی نشان داده شده است و در عمل شکست های اسید چرب با میزان C10 بالا انتخاب می شود؛ اسیدهای چرب C11 , C9 به طور طبیعی در مقادیر مناسبی رخ نمی دهند.

(ج) نسبت آب به سیمان

افزایش در نسبت آب به سیمان خمیرهای سیمانی منجر به هوای محبوس بیشتر و کاهش در مساحت مخصوص حباب ها می شود. با این وجود همان طور که در جدول 3-5 نشان داده شده است، فاکتور فاصله گذاری نسبتا بی تغییر است.

(د) نوع سیمان

خصوصیات سیمان استفاده شده برای فراهم آوردن خمیرهای سیمان هوازا، تاثیر برجسته ای بر مقدار هوای محبوس دارد و در جدول 3-6 و 3-7 برای خمیرهای تهیه شده تحت شرایط استاندارد در نسبت آب به سمیان 45/0 نشان داده شده اند.

شکل 3-7 ویسکوزیته یک خمیر سیمان حاوی سدیم آبیتات در حضور هوای محبوس (Brure)

شکل 3-8 تغییرات ظرفیت های هوازایی عوامل فعال سطوح در خمیرهای سیمان با غلظت های متغیر عوامل (بروره) 1= سدیم دو دسیل سولفات؛ 2= سدینم تری دسیل سولفات 3= سدیم آبیتات

شکل 3-9 اثر افزایش طول زنجیره نمک های سدیم اسیدهای چرب خطی روی ظرفیت هوازایی

با این وجود، این تفاوت های بزرگ می تواند تا حد زیادی به تفاوت ها در ویسکوزیته های خمیرهای مختلف در نشبت آب به سیمان یکسان نسبت داده شود. وقتی خمیرها برای یکنواختی یکسان فراهم شوند، سطوح مشابهی برای هوای محبوس به دست می آید.

جدول 3-5 اثر نسبت آب به سیمان خمیرهای سیمانی بر هوای موجود، مساحت سطح مخصوص و فاکتور فاصله گذاری محاسبه شده

جدول 3-6 رابطه میان اندازه ذرات سیمان و سطح هوای محبوس

جدول 3-7 تغییرات در خصوصیات سیمان تاثیر قابل توجهی بر سطح هوای محبوس در نسبت آب به سیمان ثابت دارد.

(د) دما

در بازه ی دمایی 35-18 درجه سانتیگراد، اثر دما چندان نیست و در شکل 3-10 برا ییک خمیر حاوی %0125/0 سدیم دو دسیل سولفات با نسبت آب به سیمان 45/0 تصویر شده است. می توان نتیجه گیری کرد که درجه هوای محبوس حاصل در خمیرهای سیمانی در یک یکنواختی مشخص تا حد زیادی تابع نوع و پیمانه مصرفی عامل هوازای لحاظ شده است، در حالی که دیگر متغیرها تنها یک تاثیر جزئی دارند.

توزیع میان فازهای آبی و جامد

مطالعه ای بر ظرفیت ها و پایداری ها چندین عامل هوازا در یک محلول سیمانی نشان داد که عوامل هوازای آنیونی متداول مورد استفاده، مثل دو دسیل سولفات و سدیم رزینات (1) به طور ظاهری در محلول ته نشین شدند، (2) توانایی خود را برای شکل دادن کف های پایدار پس از ته نشین تنها با مقادیر جزئی ماده افزودنی باقی مانده محلول حفظ کردند، و (3) قسمت صلی توانای خود را برای شکل دادن کف های پایدار پس از فیلتر شدن از دست دادند. لذا خمیرهای سیمانی باید ابتدا به ماده افزودنی روی ذرات جامد خمیری با پایانه های غیرقطبی مولکول که به سمت فاز آبی هستند، جذب شوند. به این نحو ویژگی آب گریزی به ذرات سیمان داده می شود ومی توان به آن حباب های هوا را اضافه کرد. ثانیا غلظت پس ماند ماده افزودنی در آب مخلوط شونده، گرچه لزوما بالا نیست، باید برای تولید حباب ها در طی اختلاط کافی باشد.
در خمیر سیمانی، غلظت پس ماند کلسیم رزینات تقریبا در فاز آبی gL-16/0 است، که به خوبی با انحلال پذیری آبی کلسیم کاپرات مقایسه می شود، چنانکه در شکل 3-11 داریم. نکته حائز اهمیت این که اسید چرب C9 انحلال پذیری gL-11 دارد، در حالی که C11 دارای حدود gL-106/0 است. انحلال پذیری کلسیم دو دسیل سولفات تقریبا gL-11/0 است، بنابراین مقدار بهینه در محدوده 0/1-0/6gL-1 انحلال پذیری نمک کلسیم واقع می گردد. جالب توجه است که قابلیت های سدیم محلول و نمک های کلسیم نامحلول برای وارد کردن هوا در خمیرهای سیمانی خیلی مشابه هستند (شکل های 3-13 و 3-12).

شکل 3-10 اثر دمای روی ظرفیت هوازایی سدیم دو دسیل سولفات در یک خمیر سیمانی (Brure)

اثرات روی شیمی هیدراتاسیون سیمان

داده های منتشر شده اندکی پیرامون اثر عوامل هوازا بر شیمی وساختار شناسی هیدراتاسیون سیمان وجود دارد. با این حال، برخی مطالعات حاکی از آن است که الگوی هیدراتاسیون معمولی تحت شرایط هم دما برای سیمان پرتلند معمولی نشان داده شده در شکل 3-14، به صورت زیر اصلاح شده است:
1- برای عوامل هوازای سدیم اولیتی، حداکثر C3S تحت تاثیر واقع نمی گردد، اما حداکثر C3A تسریع می گردد و به دو تا 10 برابر سطح پیمانه مصرفی معمولی تقسیم بندی می شود. واکنش های اترینگیت و مونوسولفات به دلیل حضور یک لایه نفوذناپذیر نمک هیدرات کلسیم اولیت آلومینات به تاخیر می افتد.

شکل 3-11 انحلال پذیری نمک های کلسیم در آب

شکل 3-12 مقایسه ظرفیت های هوای محبوس سدیم و کلسیم آبیتات = 0 سدیم آبیتات محلول در آب مخلوط و اضفه شده به سیمان = 0 ساخته شده با فیلترات ها از مخلوط های سدیم آبیتات و رسوب خمیر سیمان.

شکل 3-13 مقایسه ظرفیت های هوای محبوس سدیم و کلسیم رزینات = 0 سدیم رزینات محلول در آب اختلاط و اضافه شده به سیمان : = 0 ساخته شده با فیلترات ها از مخلوط های سدیم رزینات و رسوب خمیر سیمان

شکل 3-14 دیاگرام شماتیک توسعه حرارت هیدراتاسیون سیمان پرتلند تحت شرایط هم دما

2- برای دیگر عوامل هوازای آنیونی، مثل رزین های چوبی خنثی شده و سولفات ها یا سولفونات ها، پیمانه مصرفی بالا منجر به تاخیر در حداکثر C3S می شود، در حالی که حداکثر C3A تسریع می شود، و گاهی به دو قسمت تقسیم می شود.
3- مواد غیریونی، مثل اتوکسیلات ها، تغییری را در الگوی خروجی حرارتی سیمان پرتلند معمولی پدیدار نمی کنند.
تا به حال هیچگونه تغییرات در ساختار شناسی فرآورده های هیدراتاسیون منتشر نشده است.

تفسیری به عنوان یک مکانیسم فعال

عوامل هوازا غالبا روکنشگرهای آنیونی هستند که در صورت اضافه شدن به خمیرهای سیمانی، به ذرات سیمان با گروه های قطبی به سمت ذرات جذب می شوند. این «پوشش» انحلال پذیری محدودی دارد و تنها سهم کوچکی در محلول به عنوان نمک کلسیم باقی می ماند.
محلول روکنشگر ضعیف، تشکیل حباب هایی را در هم زدن در فاز آبی می دهد، که به عنوان کره های بسیار ریز، با به هم پیوستن حباب های بزرگ تثبیت می وشند. به وسیله جهت دهی روکنشگر غیرمحلول در حد فاصل هوا یا مایعع و با الحاق شدن به سطح آب گریز ایجاد شده روی ذره سیمانی توسط روکنشگر جذب شده ایجاد می وشد. این مطلب به صورت نموداری در شکل 3-15 نشان داده ایم.
حباب ها کمتر از mm25/0 قطر دارند و احتمالا در خمیر تازه با قطرهای کمتر از 10µm وجود ندارد، چرا که فشار بالایی در چنین حباب های کوچکی هست که موجب می شود هوا به صورت محلول در آید.

شکل 3-15 اندرکنش های میان سیمان، آب، هوا و مولکول های هوازا

عمدتا به علت اثر پل گونه ی ذرات سیمان توسط حباب های هوا که ساختار سازه ای سیستم را افزایش می دهند، خمیرهای هوازا دارای ویسکوزیته بالاتری از خمیرهای با هوای کم یا عاری از هوا هستند.
هیچ مدرکی موجود نیست که نشان دهد حضور عوامل هوازا، از نوعی که به طور معمولی به لحاظ تجاری در دسترس هستند، هیدراتاسیون نهایی فرآورده های سیمان را تغییر دهند.